冻土与寒区工程

多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是在号称“世界第三极”的青藏高原上修筑铁路的三大世界性科技难题。2006年7月1日，青藏铁路全线建成通车，不仅创造了九项世界之最，而且科学家和现场工作者还相继攻克了20多项世界性高原冻土施工方面的重大科研难题。

　　

　　含有冰昌的土壤

　　

　　在北方的冬天，当气温降到零度以下时，土壤里的水分就会凝结成冰，将土壤冻结，使得原来松软的土地变得十分坚硬，并含有一些小冰晶，这些含有冰晶的岩上(土壤、土、岩石)就是冻土。冻上层虽坚硬，却不十分厚，在它下面仍是比较松软的土壤。

　　作为一种处在零摄氏度以下并且含有冰的特殊土体，冻土不同于黄土、黑土和红土。按其融化时间的长短，可分为季节冻土和多年冻土两种类型。一般，我们将冬季冻结、夏季全部融化的岩土称为季节冻土：而多年冻土能够持续多年(冻结时间达3年或3年以上)不化，比如，在常年温度都在零度以下的北极地区或者青藏高原，冻土会保持常年不化，即使在比较温暖的年份，融化的也仅仅是多年冻土表面的一小层而已。

　　

　　冻土的习性与分布

　　

　　19世纪60年代，前苏联在西伯利亚开始研究冻土，而北美对冻土研究的重视始于第二次世界大战，20世纪60年代末随着北极海石油的大量发现，及其后贯穿阿拉斯加石油管线的建成，北美的冻土研究得到了迅速发展，中国对冻土现象也早有记载，如《徐霞客游记》曾提及山西五台山顶有“龙翻石”(即石海冰缘地貌，指出了石块上下左右翻动的特点)：但对冻土开展系统的研究则是在20世纪60年代以后，40多年来已在普通冻土学、工程冻土学等方面取得了不少成果，尤其是在青藏铁路的修筑工程中，更是创下了穿越连续冻土里程达到550千米的世界记录。

　　冻土是一个复杂的多相和多成分体系，至少由气相(包括水汽和空气)、固相(包括矿物颗粒和冰)和液相(即未冻水)三相组成。它的存在主要受温度影响。纬度越高的地方温度就越低，而南半球陆地面积少，所以多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部。海拔越高温度就越低，因此，在一些高山上温度常年低于零度。正是因为这个原因，在中低纬度的高山和高原上也存在多年冻土，如美洲的安第斯山脉、非洲的乞立马扎罗山以及中国的青藏高原。

　　我国的多年冻土又分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积有38～39万平方千米，处在欧亚大陆多年冻土的南缘，平面分布上服从纬度的地带性规律，即海拔越高的地方冻土面积越大，厚度也越厚。而高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地，如长白山、黄岗梁山，五台山和太白山等。

　　

　　冻土——寒区工程的拦路虎

　　

　　中国寒区应该包括所有的多年冻土区、冰川区和绝大多数稳定性季节积雪区，根据实地气温观测结果所划分的寒区面积占我国陆地面积的43．5％。随着寒区经济的发展，道路工程、水利工程、隧道工程，工业与民用建筑等在寒区建设中必不可少，如我国的青藏公路、青藏铁路、格尔木至拉萨输油管线、光纤通讯工程、大坂山隧道等，都是著名的寒区工程。

　　冻胀是寒区工程特有的病害之一。由于地基土及填筑中的水冻结时体积膨胀，产生的不均匀冻胀会造成线路超限，路基严重变形，使得铁路的整个钢轨高低不平，甚至扭绞成麻花状，这样极有可能导致列车脱轨、翻车等事故发生。

　　而融沉(冻土融化时的下沉现象)是多年冻土区路基的主要病害之一，也是多年冻土区建造物遭受破坏的主要原因，当冻土的融化速度很快时，会出现冰变成水的速率大于水能从土中排出的速率，从而使土中的孔隙压力增加，常造成斜坡和各种建造物的不稳定。当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上的地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，使多年冻土层局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，会造成路基的严重变形，这种变形表现为路基下沉、路基路肩及边坡开裂、下滑、路堑边坡溜坍等后果。因此，冻土工程在寒区建设中非常重要，必须考虑冻土的冻胀融沉对工程建造物所产生的危害。

　　寒区工程病害防治措施一是利用天然或人造材料的热阻性能保护冻土，一是利用材料相变时导热性能的差异保护冻土。各措施的关键就是保持冻土温度不变，从而减少冻胀融沉现象的发生。目前已知的保温措施主要有设置隔热保温层、热棒、遮阳棚以及改善路基通风结构、改变路面结构和颜色等。

　　

　　隔热保温层和遮阳棚

　　

　　铺设隔热保温层是对低填方和路堑采取的措施，目的在于减少换填厚度，减少对冻土的扰动，保温层起到与当量填土高度同样的保温效果。

　　太阳辐射是影响多年冻土地表热量平衡的主要因素。青藏高原太阳辐射极为强烈，通过在路基上部设置遮阳棚能减少太阳辐射对路基的影响，大大减少传入冻土地基的热量，有利于提高多年冻土的稳定性。

　　

　　“旱桥”

　　

　　修筑路基可能改变地下水的径流，引发冻胀丘、冰椎等次生不良冻土现象。而排水不良是造成多年冻土路基病害的主要原因，所以加强路基排水是防止冻土病害的有效措施。

　　对高温极不稳定区的高含冰量冻土地段及不良冻土现象较为发育的地段，为确保青藏铁路的安全可靠，施工中采取了以桥代路的措施。这个桥可不是一般跨江过河的桥，冻土科研攻关人员将之命名为“旱桥”。旱桥桥桩穿越冻土层，直接打在坚实的岩土底层，桥上铺架铁轨即可最大限度地避免冻土的影响。

　　青藏铁路穿越可可西里冻土区的清水河特大桥，就是典型的早桥，该桥长达11．7千米，气势巍然壮观。但由于其造价太昂贵，每千米要耗资5000万人民币，而全长1000多千米的青藏铁路全线总投资仅约300亿人民币。因此，旱桥不能、也无法推广使用，只是在冻土条件复杂、安全性要求高的区域采用。

　　

　　不一样的路基

　　

　　工程构筑填料及路基结构也很重要，它们将改变地表的热交换条件，对地基多年冻土的上限产生影响。合适的路基填料既要满足承载能力、强度与变形的要求，又要防止路基聚冰发生冻胀现象，同时还要考虑其保温性能。粒径级别分选重组，掺料改性等措施都可以提高填料抗冻胀、保温的性能。合理的路基结构既能保证满足基床的动应力疲劳荷载要求，又能减少冻胀、融沉等寒区工程病害。

　　通风路基可通过空气对流带出地基冻土层的热量，起到降低多年冻土地温的作用。青藏铁路目前采用的通风路基结构形式主要有管式通风和填石通风。管式通风根据通风管的类型不同主要有水泥通风管和PVC管，填石通风路基又因填石大小分为片石或块石通风路基和碎石通风路基。在青藏铁路上有一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度的片石，上面再铺筑土层的路基。这种长达111千米的“片石层通风路基”为国内首创，它好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，可有效保护冻土路基稳定，

　　由于冻土的热稳定状态受地温、含冰量等内因及气候条件、人为活动等外因的双重控制，我们还应重视多年冻土区的自然环境保护。保护冻土区自然环境，就是维持冻土区气候条件的稳定，也就是间接地保护了多年冻土。

　　针对“多年冻土问题的解决，对青藏铁路的贡献到底有多大?’这一问题，严谨的科学家们不愿多说，但他们均表示，通过参与青藏铁路建设，冻土大国——中国，已跻身于国际冻土研究的先进行列。

　　[责任编辑]王亚娜